河流水沙过程二重性及健康关系分析
董 荷
(甘肃省水文站，甘肃 兰州 730000)
河流作为人类生命之水的主要获取途径，它对人类生产和生活起着重要作用，既可以在人类生存方面提供水源，在农业方面提供灌溉，在畜牧业方面提供用水，在运输业方面提供便利交通，还可以在生物多样性方面提供基本的生存环境，且可以在人类发展过程中提供水电新能源的支撑。在河流系统中，有多种物理要素组成，其中水流、泥沙可以称为河流的动力要素。但在人类对水流系统的开发使用中，容易对河流的系统产生影响，容易改变整个生态环境系统。基于此，本文对河流健康的作用因素进行了论述，其中最为主要的为对水沙过程的分析。
1.1 自然水沙过程的二重性
自然河流在人类的生存和发展中起着重要的作用，它有很多形式的水沙过程,对整个生态环境也有举足轻重的影响。河流对人类的引用水、农作物的灌溉、新能源的电力提供、水路交通运输、渔业和林业的发展等系列方面都展示了必不可少的服务功能，另外在生态环境的改善上，包括水源的净化、污染物的降解、物种多样性的保护等，同样有着不容小觑的正向作用。
不过，万事万物都是具有两面性的，水沙过程控制不力，会对人类的生存和发展起到反作用，同样对生态环境会产生威胁。对人类的反作用主要表现为，河流过盛容易造成洪涝灾害，以及河流不足容易产生旱灾，这些灾难问题同样对生态环境产生影响，容易导致区域生态系统的失衡，对物种多样性产生直接影响。因此，自然河流在人类生产和发展，以及生态环境系统中起着二重性，既可以产生保护和积极的作用，又可以产生危害和抑制的反面作用。
1.2 治理开发下水沙过程的二重性
在河流的水沙过程的调节中，同样存在一定的二重性，这包括在水资源的分配利用上，以及在水利工程的开发建设上。这些活动开展虽然一定程度上降低河流的负面作用，使得河水自然泛滥的危害程度降低，使得河流在人类和生态服务方面的效果提升。一些大型的水利工程，会对人类发展产生重要的推动作用，产生相当大的经济效益，比如中国三峡水电站这一巨型水利工程，它的成功建设在人类新能源的应用，在电力的提供，在水灾的控制等方面产生了巨大的经济效益、社会效益、安全效益。相反，一些不合理的水资源开发运用，不仅会对人类发展产生消极影响，还容易对生态环境造成巨大威胁，比如阿斯旺大坝[2]，建设在非洲尼罗河对生态环境造成破坏，又比如欧洲莱茵河的渠化工程[3]、密西西比河系列拦水大坝[4],对当地生态多样性的影响，这些都会启示我们注重对水资源合理利用。
1.3 水沙过程二重性所揭示的内涵
根据以上阐述，我们明确了自然水沙过程、治理开发水沙过程都具有二重性，它们对河流系统的负面作用主要表现为，一方面缺少对水沙过程的基本约束调节，自然水沙容易造成泛滥，一方面过度的水沙过程的调节，容易导致生态环境变化，出现不良的服务功能。这两方面的表现，都反映了水沙过程的双面性，是二重性的极端。再有不管是自然水沙过程，还是治理开发水沙过程，都有生态环境健康和服务功能健全的相同点,它们的主要不同点表现为:在自然情况下,河流系统的主要功能会受到外界环境影响产生变化,而治理开发下，河流系统的主要功能受到的是人类主观的控制影响。
在人类水利开发活动中，由于受到人类行为的影响，河流的健康状况呈现出多样性，有的表现为积极因影响，有的表现为消极影响。人类不良行为对河流健康的主要威胁，可以分为直接破坏和间接破坏两类。第一类直接破坏表现为，对森林和土地的过度开采造成水土流失问题，不合理的渔业和畜牧业养殖造成水资源过度使用问题，一些农业化肥农药以及生活工业废渣废水等污染问题。这些不合理的利用水源问题带来的危害，是人类较为常见的，也是人类比较熟知的，这类问题的解决和预防，可以通过对人类行为加强控制进行解决，通过水利维护修复工程，可以逐渐的消除造成的影响，恢复河流的功能。
第二类，间接破坏表现为，在河流上兴建的水利工程，包括水库、防洪水坝、水电站等系列工程，虽然会对人类产生经济社会效益，对河流的泛滥起到调节作用，但一定程度上依然存在隐患。例如，人类经济不断地发展，人们对河流水资源的开发不断加大，过多的水利工程的建设或人类对开发认识不足，以及对水利工程的维护不到位，容易出现对河流健康的影响行为，造成间接地破坏。
具体以阿斯旺水库建库前后年内径流变化进行分析，如图1所示，阿斯旺水库建库前后河流水沙过程发生过很大的变动。同样，其它的水利工程建设，包括对水资源的跨区域调动、河道的不断增加或堤坝建设等都容易引起河水的变动，使得河水水量或冲淤发生改变等等。
图1 阿斯旺高坝修建前后尼罗河入海流量过程
基于此，我们可以确认在河流健康的潜在威胁方面，水沙过程变化对河流的健康具有较为实质的影响。
3.1 河流系统对水沙过程变化的响应
3.1.1 水沙过程变化与河床边界的调整
河床的形成主要是依靠水流的冲击，具体水沙两相流产生的河床冲击特征，主要是受到径流水平、变幅、各流量的有效冲击时间等因素影响。河床的变化影响因素是泥沙，包括泥沙的数量和形状大小都是主要的影响点，不同的影响程度会导致不同的河床变形，形成不同的平面和断面，整体可以描述为水、沙和河床是一种整体联系和互相影响的关系。
水沙过程变化对下游有不断地较远距离的冲击，具体冲击的影响程度对下游水位变化、河流的特征变化、河岸的稳定程度等有一定影响。河床边界特征变化会具体影响河流的形状尺寸、植物组成、河流的形态、河岸的坡度、整体河流的蜿蜒度等等。水沙过程变化和河床边界特征变化，在不同的时间和空间会产生不同的影响形式，这些影响形式表现各异，对河流系统的服务功能有一定程度的影响，各因素的作用关系可详见图2所示。
在防洪方面，水库能发挥一定的作用，可以较好的对上游洪水起到调节作用，对中游地区的洪水进行缓和，对下游的防洪压力进行控制，但单一水库的调节可能对水库区域产生新的防洪压力。
3.1.2 水沙过程变化与河流水环境
根据分析可以看出，河流水环境情况、河流的径流情况、河流的泥沙特征、河床边界特征，它们之间既相互作用又相互制约。在自然河流中，水环境与河流系统是有一定平衡关系的，互相的适应。不过，当自然河流受到外界污染等，在河流水质的变化上，水沙过程会成为要因。水库的建设对河流水沙过程有明显的影响，对原来的平衡产生影响，进一步改变着河流水环境特征。
从水流条件变化角度，对河流水质的影响进行分析，主要的影响包括两个方面，一方面是导致污染物混合能力和稀释能力的变化，一方面是导致污染物复氧降解能力的变化。这两方面的变化都和水流的特征变化有较深的关系，受到水流大小、速率等的直接影响。水库的建设会引起水沙拦截、污染累积，进一步对污染物稀释和降解自净能力产生影响。在水库的下游区域，径流的变化可以调整水量的分配,对污染物稀释水量产生影响，通过水库合理调整汛期和枯季的河水流量，可以有利于水质的改善。另外，泥沙的特征变化不容忽视，尤其是它对河床形态变化的影响，对水质的影响。水库的建立，可以降低下泄泥沙含量,使得河床泥沙粗化,进一步减少污染物在泥沙颗粒上的吸附和降解，再有水沙搭配关系变化会影响下游区域河道的变形,容易造成河道的端面和坡度变化，降低了水流的冲击力等，减缓了下游污染物的迁移，对河流自净能力有影响。
图2 水沙过程变化与河床边界及河流服务功能间的关系
3.1.3 水沙过程变化与河流生态
河流生态系统环境主要是由流动和变化的水沙动力因素和水流冲击形成的河道形态。水沙过程对水生植物有较大的影响，主要表现为基础生存环境的影响，包括水深、营养、基质等,另外水流的变化对水生物的食物寻觅、繁殖后代等都会有影响。
水沙过程在水生物生存方面的影响较为直接，会很容易表现出来。在自然河流中，与河流相关的生物群落与河流的水文特征关系紧密，互相适应，一旦河流水文特征出现改变，会对生物群落的结构和数量产生直接影响。在实际河流变化记录中，有的水文特征改变后直接导致了水生物的迁徙受阻，无法按照原有生活特性生存，出现数量迅速减少问题。
水沙过程对河流生态系统有很普遍的影响，不仅包括水文特征改变造成外来生物的入侵、原有生物无法适应变化后的生存环境，还包括泥沙的变化对河流营养源分布造成破坏、滩槽营养循环受到影响，以及洪水流量对河道冲击的变化造成河流横向连续性变化，使得河床变化破生物群落坏栖息地的多样性。另外，河床的变化,对栖息地自然演替产生影响，降低了生物群落的更新速率，影响生物多样性。
总之，水沙过程变化，以及附带引起的河床形态变化,都能给河流生态环境造成影响，具体影响的正面或负面决定了生态系统的健康程度。
3.2 河流系统对水沙过程的适应性
3.2.1 水沙过程的渐变和突变
在水沙过程的渐变和突变中，都离不开人类的活动，都或多或少受人类水资源开发利用影响。水沙过程的渐变基本是在河流自然的变化范围内，一旦变化巨大或日积月累容易造成水沙过程的突变。实际人类水资源开发中，进行水电建设等是水沙过程突变的一项主要因素。我们可以对黄河流域进行研究,黄河流域多年平均径流量为423亿 m3,到1989年黄河上游水库库容约为522.5亿 m3,但在小浪底等水利工程投入使用后，黄河流域各类水库的总库容增至720亿 m3。黄河自1989年以来库容系数由1.24增至1.70,水沙过程改变较为明显(库容系数=用水库总库容/径流总量×100%,可以表示水库对径流的调节程度)。这种水沙过程突变，从一定层面讲对黄河健康影响较大，是关键影响因素之一。另外，对长江流域进行研究，长江宜昌站的多年平均径流量为4 382亿 m3,通过对上游大型水库库容计算得到1964-2010年库容系数逐年变化情况,如图3所示。通过图可看出，在70年初和90年代后期,水库对水沙过程的调节作用较为突出，整体的库容系数不断增加，在2013年该数据已达到18.83%。这充分说明，长江流域水利工程的建设使用，造成长江流域水沙过程突变的危险性提升。
图3 长江上游库容系数逐年变化
3.2.2 河流系统对水沙过程的适应性
水沙过程变化会引起河流系统的自适应性,可以从以下两个方面进行分析：
(1)河床边界的不断调整是整体适应性的体现，主要表现为长年累月的冲淤平衡,河型和河势基本稳定。另外，这种适应性不是绝对的，在短时间的水沙过程变化,容易在河段造成较大范围的冲刷或淤积,这样会导致河势和河型跟着产生改变。不过这类的改变不是长期的，相对时间比较短，影响范围比较局部，从长远角度看河道仍然可以趋向平衡。
(2)河流水环境的适应性展现,主要表现为水环境系统的调节能力。水环境系统不是封闭的，是与外界互相影响的开放系统,它们可以在物质、能量等多方面进行交换,以及内部出现物理变化和生物变化等。通常可以说，水环境系统结构完整、功能健全，它们之间可以相互适应，进行各自调节。
3.3 河流健康的实质
从水沙过程这一影响因素分析，河流健康的表现主要是在以下两方面：
(1)河流的生态环境功能和人类服务功能可以互相统一指标，有了明确的调控的对象。河流系统的各功能是互相影响的，不是各自独立，如果河流系统在一些方面功能增强，势必会在其它功能上减弱。在长期的研究中，根据水环境和生态的互相作用关系，部分专家提出了系列河流健康保护措施,不过实际发现这些保护措施往往会和河流的实际服务功能冲突，很难做到两者兼顾。
(2)它确定了河流健康维护的目标,在河流的综合运用上有很好的指导意义。很久以来，对水沙调控的认识不足,造成河流治理中出现较多不良问题，比如：对径流调节虽然一定程度上对河道防洪、航运有利,但随着时间累积，河床变化较大，容易造成河岸土地变化，导致原有防洪工程失效,出现浅滩现象，对航运发展产生阻碍。从根本上分析，这是因为水沙调控不合理导致，因此必须研究和找出了人类综合行为对临界水沙阈值体系的影响，只有这样才能确定河流开发利用的合理限度，为人类的河流开发和水沙过程控制提供指标依据。
当今社会，人类越来越重视人类开发水资源可能带来的不良后果，并积极对可能产生的不良后果进行预防控制等。河流的健康与否，是现在水资源开发利用中最为关注的问题，它不仅关系到人与自然的和谐相处,还关系到水资源能否可持续发展。本文先对河流水沙的二重性进行了论述，然后对河流健康的潜在威胁进行了分析，随后对河流健康的内涵进行了讨论，论述了其与水沙过程变化的相关性，提出了健康河流的基本概念，分析了健康河流在维持河流生态环境，及在人类服务中的功能，明确了健康河流和水沙过程调节的基本关系[6]。保证河流的健康可持续发展是一项艰巨的工作,它不仅是对各方面研究的系统总结,还是对人类改造河流的探索。
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